Schémas des structures topologiques spatiales des anneaux de vortex magnétiques et des skyrmions dans une impulsion lumineuse supertoroïdale. Les points et anneaux gris marquent la distribution des singularités (points de selle et anneaux de vortex) dans le champ magnétique, les grandes flèches roses marquent les directions des vecteurs magnétiques sélectifs et les plus petites flèches colorées montrent les structures skyrmioniques dans le champ magnétique. Crédit : Yijie Shen (2021)
La topologie en optique et photonique est un sujet brûlant depuis 1890 où les singularités dans les champs électromagnétiques ont été considérées. L’attribution récente du prix Nobel pour les développements topologiques en physique de la matière condensée a conduit à un nouvel essor de la topologie en optique avec les développements les plus récents dans la mise en œuvre de structures topologiques semblables à des particules de matière condensée en photonique. Récemment, la photonique topologique, en particulier les impulsions électromagnétiques topologiques, est prometteuse pour les interactions onde-matière non triviales et offre des degrés de liberté supplémentaires pour le transfert d’informations et d’énergie. Cependant, à ce jour, la topologie des impulsions électromagnétiques transitoires ultrarapides était largement inexplorée.
Dans leur article publié dans la revue Communication Nature, des physiciens du Royaume-Uni et de Singapour rapportent une nouvelle famille d’impulsions électromagnétiques, les solutions exactes de l’équation de Maxwell avec une topologie toroïdale, dans laquelle la complexité topologique peut être contrôlée en continu, à savoir la topologie supertoroïdale. Les champs électromagnétiques dans de telles impulsions supertoroïdales ont des structures skyrmioniques car ils se propagent dans l’espace libre avec la vitesse de la lumière.
Les skyrmions, particules topologiques sophistiquées initialement proposées comme modèle unifié du nucléon par Tony Skyrme en 1962, se comportent comme des vortex magnétiques à l’échelle nanométrique avec des textures spectaculaires. Ils ont été largement étudiés dans de nombreux systèmes de matière condensée, y compris les aimants chiraux et les cristaux liquides, en tant qu’excitations non triviales montrant une grande importance pour le stockage et le transfert d’informations. Si les skyrmions peuvent voler, ouvrez des possibilités infinies pour la prochaine génération de révolution informatique.
“Ce sont les premiers exemples connus de propagation de skyrmions”, explique le professeur Nikolay Zheludev, le superviseur du projet, “les constructions topologiques fondamentales précédemment observées sous forme de formations de spin dans les solides et d’excitations électromagnétiques localisées dans le champ proche des modèles de métamatériaux”.
L’impulsion supertoroïdale est une généralisation de ce que l’on appelle le « Flying Doughnut », une impulsion toroïdale à cycle unique avec une structure non séparable dans l’espace-temps avec des liens avec des singularités vectorielles et des excitations d’anapole non rayonnantes. L’impulsion supertoroïdale a des structures topologiques toroïdales de type fractal de plus en plus complexes, présentant des configurations de champ électromagnétique avec des coquilles singulières de type matriochka, des structures skyrmioniques de divers nombres de skyrmions et de multiples singularités dans le champ vectoriel de Poynting accompagnées d’effets de reflux d’énergie multicouches. Et la complexité topologique peut être contrôlée en augmentant un ordre supertoroïdal de l’impulsion qui augmente. Ces résultats mettent en avant les impulsions supertoroïdales comme terrain de jeu pour l’étude des configurations de champs topologiques et de leur dynamique. Les caractéristiques topologiques des impulsions supertoroïdales présentées ici offrent des degrés de liberté supplémentaires qui pourraient trouver des applications dans un certain nombre de domaines, tels que les schémas de codage/décodage d’informations impliquant la lumière structurée, le piégeage optique, la fabrication par la lumière et l’accélération des particules. « Nous pensons que c’est la première fois que la structure skyrmionique est proposée dans des impulsions structurées ultrarapides, et la structure skyrmionique multiple avec diverses textures existe dans le champ électromagnétique instantané d’une impulsion supertoroïdale. De telles structures photoniques skyrmioniques exploitent des caractéristiques spatiales intrigantes et nettes, promettant des applications potentielles en métrologie de haute précision et en imagerie à superrésolution. dit le Dr Yijie Shen, l’auteur principal de l’article.
Ce travail ouvre de nombreuses opportunités intrigantes pour l’étude de l’interaction lumière-matière, de l’optique ultrarapide et de l’optique topologique avec des impulsions lumineuses supertoroïdales (par exemple, couplage à des anapoles électromagnétiques et des skyrmions localisés) et leurs applications en métrologie et imagerie superrésolution, transfert d’informations et d’énergie.
Références : « Supertoroidal light pulses as électromagnétique skyrmions se propageant dans l’espace libre » par Yijie Shen, Yaonan Hou, Nikitas Papasimakis et Nikolay I. Zheludev, 8 octobre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26037-w
